武 科，馬明月，范慶來，陳 榕，郝冬雪

(1.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061;2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008;3.山東科技大學(xué)土木建筑學(xué)院，山東 青島 266510;4.魯東大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 煙臺 264025;5.東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

在吸力式桶形基礎(chǔ)發(fā)展期間，挪威土工研究所做了大量的研究工作.1985年在北海格爾范克斯油田超過220 m水深的區(qū)域做了大量沉入試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)構(gòu)由2個高為23 m、直徑為6.5 m的鋼桶組成，分別在黏性土和砂土中沉入22 m，記錄了大量關(guān)于土體摩擦力、土壓力和孔隙水壓力的數(shù)據(jù).

K.H.Andersen 等［1］進(jìn)行了針對軟黏土中張力腿錨基礎(chǔ)的野外場地試驗(yàn).H.G.B.Allersma等［2－3］開展了循環(huán)載荷和長期垂向載荷作用下吸力錨的離心機(jī)模擬，研究在黏土和砂土中吸力樁的垂向承載力.B.W.Byrne等［4－5］對砂土中吸力式沉箱在循環(huán)作用下的響應(yīng)進(jìn)行了分析，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到了對載荷位移關(guān)系較深入的理解，在此基礎(chǔ)上提出了簡單的理論和數(shù)值模型;與此同時，還利用離心機(jī)模擬了豎向動荷載作用下黏土中吸力式桶形基礎(chǔ)的水平荷載與力矩荷載耦合作用.

目前我國針對吸力式桶形基礎(chǔ)與土相互作用機(jī)理的模型試驗(yàn)研究工作進(jìn)行得較少.魯曉兵等［6］針對吸力式桶形基礎(chǔ)水平動荷載作用下的承載力問題，進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究.施曉春等［7］利用模型試驗(yàn)探討了吸力式桶形基礎(chǔ)的水平、豎向承載力特性.劉振紋等［8］針對豎向循環(huán)荷載作用下軟土地基桶形基礎(chǔ)的承載性能進(jìn)行了模型試驗(yàn).張宇等［9］利用模型試驗(yàn)和數(shù)值計算分析，研究了豎向荷載作用下桶形基礎(chǔ)與土相互作用機(jī)理.

雖然針對桶形基礎(chǔ)水平、豎向承載性能已開展大量的研究，但是利用模型試驗(yàn)和數(shù)值計算方法進(jìn)行對比分析，以此確定扭剪荷載作用下桶形基礎(chǔ)地基破壞模式的研究相對較少.為此，本研究通過室內(nèi)小型模型試驗(yàn)，探討不同長徑比桶形基礎(chǔ)在扭剪荷載加載過程中，桶體內(nèi)外壁土壓力變化規(guī)律，以此評判地基穩(wěn)定性，進(jìn)而與數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行比較，確定扭剪荷載作用下桶形基礎(chǔ)地基破壞機(jī)理.

1 模型試驗(yàn)

利用真空抽吸法飽和黏土制樣技術(shù)，制備飽和黏土.制成飽和黏土樣后，采用烘干法測定重塑土樣不同位置處的平均含水率.土層上、中、下部含水率分別為 29.0%，28.9% 和 28.8%，土樣容重達(dá)到19.52 ～19.59 kN·m－3，試樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo):密度為1.95 g·cm－3，土粒相對密度為 2.67，含水率為29.0%，飽和度大于98%，液、塑限分別為36%，18%，塑性指數(shù)為18［10］.試驗(yàn)設(shè)備為自行研制的小型模型試驗(yàn)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 模型試驗(yàn)設(shè)備

圖1中模型槽尺寸為800 mm×800 mm×800 mm，4個桶形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)直徑為200 mm，壁厚為5 mm，桶高分別為100，200，300 和400 mm.該設(shè)備能夠模擬在水平荷載、豎向荷載、扭剪荷載單獨(dú)作用和共同作用下的桶形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與土相互作用機(jī)理.通過電伺服加載系統(tǒng)，在桶形基礎(chǔ)頂部施加水平荷載、豎向荷載、扭剪荷載，其施加荷載大小由液壓控制系統(tǒng)操控.

首先，模型槽中填充預(yù)置的飽和黏土，并壓實(shí);其次，將桶形基礎(chǔ)模型放置于模型槽中，讓其在自重應(yīng)力作用下沉降穩(wěn)定后，將桶形基礎(chǔ)模型桶壓入飽和黏土中;再次，通過電腦控制液壓加載系統(tǒng)，在桶軸線頂部逐級加載旋轉(zhuǎn)荷載，每次加載后，待桶體旋轉(zhuǎn)角度完全穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù);最后，當(dāng)被測點(diǎn)位移超過10 mm或者模型整體失穩(wěn)時終止試驗(yàn).

2 數(shù)值分析與方法

針對海洋底部的軟土特性，采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型;對于桶形基礎(chǔ)桶體結(jié)構(gòu)，采用線彈性本構(gòu)模型.針對桶形基礎(chǔ)的桶壁與周圍土體接觸計算，采用ABAQUS中的主動－被動面接觸算法，選取剛度大的桶體表面作為主動面，土體表面作為被動面，界面滑動摩擦系數(shù)μ取為0.5(相當(dāng)于外摩擦角=26.6°)［11］.根據(jù)桶形基礎(chǔ)受力特性，整個模型采用三維8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，在算例分析中，桶體直徑D=4.0 m，長徑比 L/D=0.5，1.0，1.5，2.0，同時土體的計算范圍在橫向與豎向分別取為5D與5L，如圖2所示.計算分析過程中，采用位移控制方法在桶體頂部施加水平位移，以此得到基礎(chǔ)的荷載-位移之間關(guān)系.

圖2 有限元計算模型

3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計算對比分析

3.1 扭剪極限承載力分析

圖3為不同長徑比的桶形基礎(chǔ)在模型試驗(yàn)與數(shù)值計算中所得到的扭剪荷載與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系曲線.

由圖3可知:模型試驗(yàn)中，隨著所施加的扭剪荷載量的增大，桶形基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)角度不斷增加，兩者關(guān)系曲線近似直線變化;荷載量急劇變化，旋轉(zhuǎn)角度增幅遲緩;當(dāng)扭剪荷載達(dá)到某一值時，荷載量增加緩慢，旋轉(zhuǎn)角度急劇變化，兩者關(guān)系曲線近似直線變化.數(shù)值計算中，隨著所施加旋轉(zhuǎn)角度的增大，桶形基礎(chǔ)扭剪荷載曲線先呈現(xiàn)直線增加;當(dāng)扭剪荷載達(dá)到某一值時，關(guān)系曲線隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加而趨于穩(wěn)定，即該值為數(shù)值計算所得到的桶形基礎(chǔ)扭剪極限承載力.模型試驗(yàn)與數(shù)值計算的關(guān)系曲線變化趨勢基本相似，但是模型試驗(yàn)關(guān)系曲線所得到的承載力比數(shù)值計算得到的承載力大，且隨著長徑比L/D增加，兩者差距增大;長徑比 L/D=0.5，1.0，1.5，2.0 時所對應(yīng)的扭剪極限承載力分別為 54.36，94.42，133.58，174.14 N.

圖3 扭剪荷載與轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線

3.2 土壓力分析

圖4，5分別為模型試驗(yàn)與數(shù)值計算所得到的L/D=1桶形基礎(chǔ)桶體內(nèi)、外壁土壓力分布曲線.

圖4 桶形基礎(chǔ)桶體內(nèi)壁土壓力分布

圖5 桶形基礎(chǔ)桶體外壁土壓力分布

由兩個圖可知:桶體內(nèi)、外壁土壓力分布均為對稱形式，并且桶體內(nèi)壁土壓力大小由桶頂部向底部逐漸增大，桶體外壁土壓力基本相同;桶體內(nèi)壁不同部位土壓力變化趨勢基本相似，這是由于土體被桶體包圍在桶內(nèi)，隨著桶體所受扭剪荷載作用，底部土體與基礎(chǔ)相連抗拒扭剪荷載能力強(qiáng)，因此土壓力相對頂部顯著;桶體外壁不同部位土壓力變化趨勢是一致的，這是由于桶體外壁與基礎(chǔ)周圍軟黏土在扭剪荷載作用下產(chǎn)生剪切破壞，從頂部到底部基本一致，因此其大小基本相同，破壞形式基本一致.

圖6為數(shù)值計算所得到的應(yīng)力分布圖.由圖6可知:桶形基礎(chǔ)在扭剪荷載作用下，基礎(chǔ)軟黏土所受應(yīng)力基本呈軸對稱分布;桶形基礎(chǔ)內(nèi)、外壁兩側(cè)土體所受扭剪荷載作用產(chǎn)生剪切應(yīng)力，并隨著距桶軸線的距離的增大而減小.

圖6 數(shù)值計算所得地基軟黏土應(yīng)力分布

3.3 地基破壞機(jī)理分析

圖7，8分別為模型試驗(yàn)與數(shù)值計算所得到的L/D=1.0桶形基礎(chǔ)在扭剪荷載作用下地基破壞模式.

圖7 模型試驗(yàn)所得到的地基破壞模式

由2個圖可知:模型試驗(yàn)中，桶形基礎(chǔ)在扭剪荷載作用下產(chǎn)生剪切變形，桶體外壁與軟黏土產(chǎn)生剪切旋轉(zhuǎn)，且頂部有裂縫產(chǎn)生.與土壓力分析進(jìn)行比較，桶體內(nèi)、外壁土壓力隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大而增加;數(shù)值分析中，在扭剪荷載作用下，桶形基礎(chǔ)底部與軟黏土接觸部分形成顯著的圓環(huán)塑性區(qū)，而在桶形基礎(chǔ)外壁兩側(cè)土體圓環(huán)剪切破壞區(qū)域，且隨著距旋轉(zhuǎn)中心的增加而減小;對比論證中，桶形基礎(chǔ)在扭剪荷載作用下，地基底部形成圓環(huán)剪切破壞，桶體周圍以桶軸線為中心，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)剪切變形，逐漸向周圍擴(kuò)散.

圖8 數(shù)值計算所得到的地基破壞模式

4 結(jié)論

1)隨著所施加的扭剪荷載量的增大，桶形基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)角度不斷增加，兩者近似直線變化;荷載量急劇變化，旋轉(zhuǎn)角度增幅遲緩;當(dāng)扭剪荷載達(dá)到某一值時，荷載量增加緩慢，旋轉(zhuǎn)角度急劇變化，兩者近似直線變化.與此同時，模型試驗(yàn)關(guān)系曲線與數(shù)值計算關(guān)系曲線的變化趨勢基本相似，但是模型試驗(yàn)關(guān)系曲線所得到的承載力值比數(shù)值計算得到的大，且隨著長徑比的增加，兩者差距增大.

2)桶體內(nèi)、外壁土壓力分布均為對稱形式，并且由桶頂部向底部桶體內(nèi)壁土壓力逐漸增大，桶體外壁土壓力基本相同.

3)桶形基礎(chǔ)在扭剪荷載作用下，地基底部形成圓環(huán)剪切破壞，桶體周圍以桶軸線為中心，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)剪切變形，逐漸向周圍擴(kuò)散.

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